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风电知识 | 风电场常见通信技术

日期:2023-04-24    来源:千尧科技

国际风力发电网

2023
04/24
16:20
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关键词: 风电通信技术 风电场 风电产业

国家的碳中和战略进一步推动了风电场规模化发展,风电场内部通讯的即时性、可靠性、稳定性显得更为重要,国内风电场监控通信系统主要采用有线方式,包括RS485总线、PROFIBUS现场总线和工业以太网。对于大型风电场和海上风电场传输距离过长,有线通信网络不能完全满足风电场通信的可靠性和安全性需求,有线与无线通信方式的结合将成为大型风电场通信系统发展的趋势。

本文将对风电场内常见的通信协议和技术进行基础介绍,包括RS485总线标准、PROFIBUS现场总线标准、以太网技术、无线AP组网技术、无线微波通信技术、CANopen标准协议、IEC61850标准协议、MODBUS-TCP应用协议、Websocket协议、MQTT协议。

RS485总线标准

RS485总线是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准,该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。RS-485采用半双工工作方式,支持多点数据通信。RS-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构,即采用一条总线将各个节点串接起来,不支持环形或星型网络。

RS485采用平衡发送和差分接收,具有抑制共模干扰的能力;同时,总线收发器具有高灵敏度,能检测低至200mv的电压,所以,传输信号能在千米以外得到恢复;其标准节点数是32,最远可传输1200m,很适合风电场多台风机间通信。

风电场利用RS485多机通信技术,在轮轴处放置一个控制主机,4个叶片处分别放置4个控制从机,采用主从式设计,控制主机将风向值传给控制从机,控制从机根据本身的相对位置和接收到的风向值控制风轮的旋转,使风轮顺风时切向受力最大,逆风时与风的方向平行,更有效的利用风能转化成电能。

图1 RS485多机通信示意

PROFIBUS总线标准

PROFIBUS是目前国际上通用的现场总线标准之一,以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持和不断发展的应用行规,已成为最重要的和应用最广泛的现场总线标准。PROFIBUS现场总线通讯协议包括两个主要部分:

(1)PROFIBUS-DP:主站和从站之间采用轮循的通讯方式,主要应用于自动化系统中单元级和现场级通信;

(2)PROFIBUS-PA:电源和通信数据通过总线并行传输,主要用于面向过程自动化系统中单元级和现场级通信。

其中,PROFIBUS-DP是高速网络,通讯速率达到12M,可以连接远程I/O、执行机构、智能马达控制器、人机界面HMI、阀门定位器、变频器等智能设备。一个PROFIBUS-DP总线网络中可以最多连接125个从站设备。PROFIBUS-DP的拓扑结构可以是总线型、星型和树型,通讯介质可以是屏蔽双绞线、光纤,也支持红外传输。采用双绞线时,不加中继器最远通讯距离可达1.2公里;采用光纤时,最远通讯距离可达100公里以上,其中采用多模光纤,两点间最远距离可达3公里,采用单模光纤时,两点间最远距离可达20公里。

现场总线PROFIBUS-DP通信技术不但用于解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器和执行机构等现场设备间的数字通信,而且已经成为风力发电系统中主要的通信方式之一。由于风电系统设备通信的可靠性直接关系到风力发电机组的运行稳定性,因此,高速、可靠、久经实际应用考验的PROFIBUS-DP成为其重要选择之一。

图2 PROFIBUS总线示意

工业以太网通信技术

采用工业以太网接口和传输协议,用于连接工业现场终端设备、控制端和集中监控端,实现对终端设备监视和控制的通信系统。

工业以太网是继集散控制系统和现场总线控制技术之后的一种应用性非常好的通信技术。它继承了以太网的优点,同时又具备了工业控制的必要条件,具有便于安装、传输速度较高、低能耗高兼容性的优点。因此,工业以太网成为工业自动化控制方面的主要通信方式。在本设计中,以太网的使用下至底层的数据采集开始,上至监控中心的数据接收与发送,中间承担数据采集模块与数据处理PLC之间数据沟通,因此,通信系统的数据传输可以满足系统数据传输准确、可靠性好的基本要求。

风电场内除不可或缺的主控制器及其工业以太网模块外,风力发电机组工业以太网通信系统的可接入设备包括但不限于:状态监测设备、箱变监控设备、视频监控设备、门禁设备、语音通信设备、自动消防设备、驱鸟装置等。

图3 风力发电机组工业以太网通信系统典型拓扑

无线AP组网技术

工业场所应用的无线技术包含WWAN广域网(如GPRS、EDGE、WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA、LTE等技术)和WLAN局域网(WAPI、WIFI、ZIGBEE等技术)等,由于WWAN要依赖于电信运营商的网络支撑,存在三个现实和潜在问题:一是风电场偏远地区网络覆盖不佳;二是长期付费使用成本高;三是后续运维存在不确定性。

无线MESH组网的意义可以理解为各无线节点(AP或网桥)之间非简单的点对点连接,而是点对多点混合组网以形成一张网状网络结构。具体的连接方式由现场环境(距离、天线发射和接收功率)来动态变化并自动组网。在无线MESH网络中,任何无线设备节点都可以同时作为AP或网桥,网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信;这种结构的最大好处在于如果最近的节点由于流量过大而导致拥塞的话,那么数据可以自动重新路由到一个通信流量较小的邻近节点进行传输;依此类推,数据包还可以根据网络的情况,继续路由到与之最近的下一个节点进行传输,直到到达最终目的地为止,这样的访问方式就是多跳访问。

风电场内WLAN局域网系统通信,相对各种技术比较后和使用后,目前相对采用较多的是最成熟、稳定的WIFI技术,采用多跳MESH网桥无线组网,所有风机的数据可以通过无线汇聚到控制中心。控制中心与风机之间采用点对多点模式,风机之间采用MESH自组网模式。

图4 无线AP组网示意

无线微波通信技术

对于海上风电通信存在船舶、平台等作业通信需求,多对多和一对多的远距离通讯方式需要考量,船载无线微波通信技术比较适合海上风电应用场景。

由于船只长期处于运动/颠簸及潮湿的海域环境中,距离海岸通常距离约在50~80公里,已超出陆地上运营商4/5G的覆盖距离范围,通信问题存在难点,由于监控图像属于移动传输,船体在海上航行方位角度不一,环境恶劣,对于搭建的无线通信系统有一定的要求,需满足海上盐雾环境情况下通信传输,针对海上船只颠簸姿态下无线微波需具备出色的稳定性。

无线微波传输系统可针对车载或船载安装时船体车体在不定姿态的移动运动中,动中通无线微波自动跟踪系统可随时的对自动对准基接收端通信传输,通过集成高增益定向天线,搭载高速微波通讯系统,与远端站之间实现高速、高链路带宽通讯,实现更远距离实时稳定可靠的无线视频传输,相比传统全向天线模式,具有高的天线增益,更远的通讯距离,和更好的通讯传输效果。

工作原理为A点海上船载端安装无线动中通自动跟踪微波传输系统与B点陆地岸基端建立无线链路通信,岸基站收到前端A点船只的监控等数据后可接入有线网络进行无线+有线的方式融合通信传输,B点岸基接收端通过对接有线网络后,可通过网络传输至省厅指挥中心统一管理调度,完成链路传输。

图5 船载无线微波通信技术

CANopen标准协议

CANopen协议是CAN-in-Automation(CiA)定义的标准之一,并且在发布后不久就获得了广泛的承认,尤其是在欧洲,CANopen协议被认为是在基于CAN的工业系统中占领导地位的标准。大多数重要的设备类型,例如数字和模拟的输入输出模块、驱动设备、操作设备、控制器、可编程控制器或编码器,都在称为"设备描述"的协议中进行描述;"设备描述"定义了不同类型的标准设备及其相应的功能。依靠CANopen协议的支持,可以对不同厂商的设备通过总线进行配置。

风电场采用CANopen通讯是风电机组变桨控制系统现场总线通讯的重要应用方式之一,变桨系统安装于轮毂之内,主控制器PLC与驱动器间采用CANopen通讯方式。在风力发电机组并网发电时,变桨系统若出现主控制器PLC与驱动器间CANopen通讯故障即引起变桨系统紧急顺桨到安全位置,机组停机。

图6 变桨距控制器CANopen通讯

IEC61850标准协议

IEC61850标准是电力系统自动化领域唯一的全球通用标准,该标准实现了智能变电站的工程运作标准化,使得智能变电站的工程实施变得规范、统一和透明。不论是哪个系统集成商建立的智能变电站工程都可以通过SCD(系统配置)文件了解整个变电站的结构和布局,对于智能化变电站发展具有不可替代的作用。

IEC61850具有面向对象建模、抽象通信服务接口、面向实时的服务、配置语言、整个电力系统统一建模等特点。IEC61850建模了大多数公共实际设备和设备组件,这些模型定义了公共数据格式、标识符、行为和控制,例如变电站和馈线设备(诸如断路器、电压调节器和继电保护等)。

GOOSE(通用面向对象的变电站事件)是IEC61850的特色之一,提供了网络通讯条件下快速信息传输和交换的手段。当发生任何状态变化时,智能电子装置将借助变化报告,高速传送二进制对象、通用面向对象变电站事件报告,该报告一般包含有开关刀闸位置状态输入、跳合闸命令、保护控制装置间的配合信号等。基于IEC61850的智能化风电场升压站监控系统具备实现GOOSE网高级应用和便于风电场远程集中控制等优势。

图7 IEC61850标准的智能化风电场建设

MODBUS-TCP应用协议

Modbus应用协议是工控领域中重要的应用层协议,具有透明性与开放性的特点。最近几年,因Modbus协议的持续发展,如今已把Websever、TCP/IP与以太网技术等应用至Modbus协议的解决方案中,建立了Modbus应用的协议集合,在Modbus协议集合的基础上,以太网解决方案己在各种测控领域的现场得到了应用。

MODBUS-TCP工业以太网是运行在TCP/IP协议栈上的Modbus报文传送协议,具有简单、开放、性能稳定且容易理解等特点,已被工业上当成是利用以太网来通信的标准。

Modbus协议的持续发展,当前己将高速令牌网络、WebServer、TCP/IP、串行链路等技术应用于Modbus协议的解决方案中,并且在工业现实进行实践。

Modbus协议广泛应用于风电场数据的采集及过程监控。按照传输介质分类,Modbus协议简要分为串口Modbus及网络Modbus两种。串口Modbus是一种异步串行传输协议,传输介质有RS232/422/485,光纤或者无线等,在通讯时,需要定义使用的参数,例如波特率、校验方式等。网络Modbus采用网线进行通信,数据通信的1-4层实现,与通常的以太网通信一样。

图8 ModbusTCP应用示意

Websocket协议

WebSocket是目前浏览器中最通用和灵活的传输技术,它是由互联网工程任务组定义的一组协议,它包括协议和API两个部分。其中WebSocketAPI由W3C(万维网联盟)开发,应用程序可以用它控制WebSocket协议,响应服务器触发的事件。WebSocket的目的是取代HTTP在双向通信场景下的使用,它利用Web服务器套接字连接建立起浏览器与服务器间的全双工连接。它提供了简单而且轻量级的程序开发接口,开发者可利用WebSocketAPI传输JSON字符数据、二进制流数据等数据类型。

WebSocket主要用在B/S架构的风电场在线监测系统设计和开发,风电监控系统的实时数据监控是将风力发电机组数据采集并完成数据预处理之后、使用MQTT协议采用发布-订阅模式将消息发送到Websocket服务端,Websocket服务端利用Websocket协议将这些数据推送到浏览器端,更新实时数据显示页面,保障数据监视的实时性。

图9 Websocket协议推送数据

MQTT协议

MQTT(消息队列遥测传输协议)协议是一个基于发布/订阅(publish/subscribe)模式的轻量级的协议,由于对带宽需求很低,可作为M2M通信或物联网应用的理想选择,并且在快速,高效的数据传输应用中变得越来越流行。目前国内的主流IOT服务器供应商均提供对MQTT协议的解析,比如百度云计算,阿里云计算等。当然,MQTT协议也不仅仅局限于运行在互联网通信上,它是一个通信规则,也能在风场网络这样的局域网环境中应用。

MQTT协议是基于发布-订阅模式的轻量级实时通讯协议,主要用于进程间通信,协议建立在TCP/IP协议之上,其固定长度的头部只有2个字节,传输效率很高。考虑到计算能力和存储资源受限的嵌入式物联网设备,在设计时采用二进制格式编码,对低速网络和低功耗有很强的适应性,协议提供完善的QoS机制,根据业务场景可选择不同的消息送达模式,有效控制数据的可靠性、实时性和生存时间,目前部分厂商利用MQTT的特点可以制定风电场的高性能数据采集解决方案。

图10 MQTT协议示意

结语

本文对风电场常见的集中通信技术和协议进行基础介绍,随着科技的发展和革新,通信技术日新月异,新能源场站间的通信技术从设计、实施、部署、应用、验证等复杂度越来越高,通信的安全性、可靠性、稳定性、实时性等需要行业积累经验,对现有方案的不断优化和技术的深度思考进行适配,选取适合场站的通信方式是场站管理的支撑基础。



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